挡风墙的疏透度对列车运行安全的影响研究

挡风墙的疏透度对列车运行平安的影响研究摘要：随着列车速度的不断提高，列车与空气之间的相互作用变得更加强烈。强侧风对高速列车所产生的强大的气动力将影响列车的平安运行，对于高速列车在强风用作下的气动力特性的研究变高速列车的气动特性和外部流场进行了数值分析研究。通过对模拟计算结果的理论分析，本文阐述了列车外表压力在风场中分布的原理，得到了强风作用时，侧向力、侧倾力矩、侧偏力矩等重要参数的变化规律。而且在来风一侧增建挡风墙，并得到各种疏透度挡风墙防护下的列车气动力性能，以及列车重要参数随挡风墙疏透度的变化规律。并通过优化分析提出了对列车防护效果最好的挡风墙方案。本文对高速列车防风平安工程提供了新的思路，为挡风墙的优关键词：高速列车；平安性；侧风；数值模拟；侧倾力矩；挡风墙；疏透度近年来,因侧向风导致的行车平安事故在世界各国时有发生,给人民生命财产造成严重威胁。仅在中国的地区就曾经段铁路迎风侧修建挡风墙对列车平安运行有很好的防护效果。本文风墙结构，对侧风环境中高速列车在有挡风墙保护下的空气动力特性进行研究。希望能通过对问题进行的模拟研究，为高速列车处于特殊环境下平安运行提供依据，为改造高速列车的挡风墙积累数一列完整的列车由机车和许多节车辆组成，长度较长。本文将采用三节车的模型进行模拟，即整个列车模型由一节头车、一节中间车和一节尾车组成。头车和尾车具有一样的外形，本文列车模型由头车(25m)+中间车(25m)+尾车(25m)组成，列车长、宽、高分别由于离车头一定距离以后，列车中部的流场结构根本保持稳定，所以，缩短成三节的列车模型和完整列车模型相比，其流场的根本特为了研究挡风墙对高速铁路的防风效果，采用了使用最为广泛控制挡风墙的疏透度。通过模拟计算找到最正确的疏透度，使列车域为：列车前部距计都为30m。区域宽度为63.2m(x方向)。此时，列车和周围流场根本到达充分开展，计算区域更大模拟计算收敛的时充分考虑高速列车在挡风墙保护下强风环境中外流场特性模拟的准确性，根据高速列车在强风作用下外流场的特点，列车与挡风墙之间的空气流场变化最为剧烈，这个区域和列车周围的区域和挡风墙周围区域是本次模拟研究主要关注的区域，因此这三个区域的网格要求最为严格。离列车稍远的区域，列车运动对这个区域空气流场的影响趋于平稳，因此网格的尺寸可以适当的放大。根据离列车越远流场就越平稳的原那么，网格的尺寸应该随与列车距离的增大而逐渐增大。这种由密逐渐变疏的计算区域网格可以使得模拟计算在列车附近真实反映空气动力特性，又严格的控制了网格的数量，从而减少了对计算机资源的占根据以上原那么，对列车与挡风墙周围流场区域，单元线长度m散区域的单元线长度从0.25m扩体简化为黏性、不可压缩、定常、绝热流体，对应的时均方程组包括：连续性方程、动是静止不动的，入口风速采用合成风。合成风是列车速度与风速矢量的叠加。由于在不同风向角下，相同车速和风速的合成速度并不相同，即车辆受到的气动力不仅与列车运行速度、环境风速度有关，还与环境风的风向度选定为75m/s(270公里每小时)。边界条件设定为：。计算结果分析为便于分析列车受气动力作用后的偏转趋势，对列车气动力和气动力矩在直角坐标系中进行分解，从头车指轨的中点为原点，对列车的每一小节以各自的原点分别取矩。得到x方向侧向力是影响列车运行平安的重要因素。该力越大，列影响最大。侧倾力矩过大直接导致列车翻车。为了防止侧倾力矩过 不变。在风速为40m/s时，列车节侧倾力矩急剧减小。列车气动力矩随风向角的变化为：随着风向小。侧倾力矩是列车平安运行最值得关注的因素。如何防止因为侧倾力矩过高而发生危险是改善列车运行环境的主题。由图中我们发危险最有可能的地方。通过现有的方法，使之减小，是使列车运行平安的有效方法。沿着车身方向，侧倾力矩比拟平稳，如何使这个沿着车身方向稳定的侧倾力矩减小也是使列车运行平安的主要因下面我们模拟了实心的挡风墙对列车的防护效果。为高速列车5小节处随着列车形状的差异变化很大。不具有代表意义。车身依然是我们研究列车平安的重点。在无挡风墙时侧倾力矩最大的小节为侧倾力矩减小到了八分之一以下。侧倾力矩是列车发生危险的最主要因素。如何降低它一直是研究列车平安运行的关键。侧倾力矩主要是由来流直接作用在车体外表，使得列车受来流一侧的力过大造成的。还有就是来流对列车进行绕流以后，使得列车产生升浮力后失去稳定性。加挡风墙以后，来流先冲击到挡风墙，在挡风墙后形成一个大大的涡旋，列车在其中没有与流体的剧烈碰撞与突变。受到了很好的保护。修建挡风墙对列车的运行平安有非常好的防护效果。因此，在列车的防风研究中，挡风墙一直发挥着不可替代的作挡风墙的高度、厚度、距离列车的位置同行的科研成果中已给出最合理的优化。本文也是选取的防风效果最好的挡风墙。在挡风墙的高度、厚度、距离列车的位置都固定的前提下，在挡风墙内部有规律的挖出来一些缝隙。我们叫它为挡风墙的疏透度。通过这些缝隙来改变流场，使得原来来流作用在挡风墙上，在后面所形成的大大的涡旋，改变成有规律的细小平稳的涡旋，使得来流对列车所造成的危险降到更低。使得列车的运行更加平安。这个想法是否存在合理性，我们下面的工作正是去验证它。以此为出发点，我们把原来的实心挡风墙修建成了有疏透度的挡风墙。疏透度为缝隙的空为了做比拟，我们把原来的实心挡风墙，即没有挖缝的挡风墙叫做危10.5%，11%，13%疏透度的挡风墙进行了补充模拟。由图我们发现随这就证明了挡风墙在一定的疏透度下，比实心的挡风墙防风效果更好的理论。这就使得挡风墙对高速列车防风研究中提供了新了思倾力矩沿车身方向的变化规律有代表意义。为各种疏透度挡风墙防度的时候有第二次降低。这与头车第2小节侧倾力矩随挡风墙疏透度的变化情况不一致。这说明随着挡风值。不过这没关系。我们会找到一个最正确的疏透度，使得这时的挡风墙对列车在整体上防护效果最好。当挡风墙的疏透度在超过。而且低于0%疏透度。此时的列车第9小节最平现，在10%疏透度时，侧倾力矩有明显的降低。综合列车第2、7、时候，这些小节的侧倾力矩都比实心挡风墙的侧倾力矩更低。整体侧风在经过挡风墙之后，在列车周围形成了大大的涡旋，列车列车在涡旋作用下，虽然比流体直接作用在列车上平安。但是涡旋里面流体环绕着列车运动，涡旋越大，流体的流速也越大。列车在其中运行，流体对列车的气动力和气动力矩也就越大。当挡风墙有5%的疏透度以后，流体大局部还是绕过挡风墙后在列车周围形成涡旋。由于有一小局部流体从挡风墙的缝隙流过，因此绕过挡风墙在列车周围形成涡旋的流体一定减少。因此涡旋也会变小。而且从缝隙中流过的流体会对形成涡旋的流场进行冲击，使流场趋于平稳和稳定。这个时候，列车处在相对侧向流速不大，流场平稳的环境着从挡风墙缝隙中流过的流体的增多，流过挡风墙后，环绕列车的流体进一步减少。在列车周围会形成减弱了的涡旋，但从挡风墙缝隙中流过的流体是方向垂直于列车的平稳的流体。平稳的流体会使得旋转的涡旋流体变得平稳，涡旋中旋转的流体会使得垂直于列车的流体变得环绕着列车。二者共同作用的结果使得列车周围流场变成了速度小、沿着车身方向的均匀的流场。在这种流场是列车运行的最正确流场。这个最正确流场的存在说明了，当疏透度再大一些，透过挡风墙缝隙的来流流场成为主流，当疏透度再小一点，绕过挡风墙在列车周围形成涡旋的流场成为主流。正是这个最正确流场的存在，使得挡风墙疏透度优化的过程中存在一个值。使得列车的运行平安系数最高。综合头车、中间车和尾车的侧倾力矩随挡风的平安性到达了一个最大值。这个时候的挡风墙对列车的防护效果论本文以高速列车为研究对象，在强风环境中对挡风墙的防护效果进行了数值模拟分析。提出了改变挡风墙疏透度的方法，模拟和分析了不同疏透度的挡风墙防护下的列车气动力性(1)列车的气动力性能沿车身方向较为平稳，但是在车头部位变化较大。因此，进一步提高列车运行速度时，应更加注重车头的气动性能研究。列车的压力沿车身方向变化平稳说明了文中对列车简化为3大节(头车、中间车、尾车)的合理性。(2)比照无挡风墙时列车的气动性能和有挡风墙时列车的气动性能，发现挡风墙对列车的防护效果很好。列车的气动力矩在有挡风墙以后可以降低到原来的八分之一以下。大大增加了列车运行的(3)分析了列车的气动力性能随挡风墙疏透度的变化规律。当车速和风速一定的时候，随着挡风墙疏透度的不断增加。列车的气动力矩逐渐增加。列车运行危险性增大。但当疏透度增大到一定值的时候，列车的气动力矩开始降低，列车运行危险性降低。当疏透度到达一个最正确值得时候，列车的气动力矩最低，此时的列车运行最平安。而后，随着挡风墙疏透度进一步增大，列车的气动力矩随着挡风墙疏透